諧波治理

在交流電源系統中，含有大量諧波的電源設備可以等效為一個線性負載和一系列的諧波電流源。可以認為，連線到交流電源的非線性負載從交流電源吸取基波電流並向交流電源反饋各種頻率的諧波電流。諧波電流值和電源內阻越大，諧波所造成的電壓波形失真也就越大，所造成的危害也越大。

基本介紹

• 中文名：諧波治理
• 外文名：Harmonic control
• 評價內容：電壓、頻率波動、電壓的波形質量
• 治理措施：採用無源濾波裝置和有源濾波器
• 危害：影響供電系統的穩定運行

簡介

電能質量的好壞，直接影響到工業產品的質量，評價電能質量有三方面標準。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動；最後是電壓的波形質量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國對電能質量的三方面都有明確的標準和規範。

隨著科學技術的發展，隨著工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網的安全運行。

諧波成因

電網諧波來自於3個方面：

1.發電源質量不高產生諧波：發電機由於三相繞組在製作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。

2.是輸配電系統產生諧波：輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由於變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

3.是用電設備產生的諧波：晶閘管整流設備。由於晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的套用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置採用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的 30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈衝整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

諧波來源

電力系統中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發電設備和用電設備。由於發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國套用的發電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用於汽輪發電機，凸極機多用於水輪發電機。

對於諧波分量而言，隱極機優於凸極機，但隨著科技進步，可控矽、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發電機的諧波分量有所上升。當發電機的端電壓高於額定電壓的10%以上時，由於電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由於電網電壓偏移在±7%以下，所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。

為此，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：

· 電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。

· 交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。

· 交流整流再逆變用電設備：如變頻調速、變頻空調等。

· 開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。

這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

電弧加熱設備是由於電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，並且滅弧電壓略低於起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由於弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛套用。由於當時電弧加熱設備量少，電焊機套用的同時率就更小了，對整個電網的影響比較小，但發現在燒電焊時，局部低壓電網的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由於整流設備有一個閥電壓，在小於閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中套用了可控矽，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數比較低。

交流整流再逆變用電設備，在交流變直流過程中產生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設備單台容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數量多，是推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。

開關電源設備套用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，從而在變壓器二次側感應出電流，供給用電設備。此外，開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產生諧波，而且在開關管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單台容量不大，但它是套用面最廣、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網。

現狀淺析

通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內工業企業的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對於小功率的用戶而言，還不怎樣，但對於大功率的用戶來說，危害就很大了，對於中頻爐用戶，它用常規的無功補償就無法進行，有的用戶用常規的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。

諧波治理

1．諧波治理的總體思路。諧波的治理應當首先考慮預防，控制好諧波產生的源頭，使系統中產生的諧波儘量減小，就可以更方便的治理或者不用再進行進一步的治理。因此，在選擇設備和構建系統時，就應該將減小諧波做為一項重要的條件來考慮。對於交流和直流兩大類通信電源設備：在其他條件同等或類似的情況下，UPS系統應該優先選擇12脈衝或者Delta變換的設備，直流系統應優先選擇有更好的整流電路和完善的濾波措施的產品。

其次，在預防的基礎上，再考慮補救措施。特別是對於既有的用戶低壓系統來說，由於系統結構已經基本固定，諧波問題的解決只能通過加裝電抗器、濾波器等補救措施得以控制。

2．治理諧波的預防性措施。預防性的解決辦法是指避免諧波及其後果出現的措施，如下。

（1）整流器中的相位抵消（通過選擇合適的相位移動，由低脈波數整流器構成的高脈波數整流器可以消除諧波）或諧波控制。應該使用具有較高脈波數的整流器，如使用12脈衝的整流器來代替6脈衝整流器。

（2）開發有效的過程和方法來控制、減小或消除電力系統設備的諧波。

3．治理諧波的補救性措施。補救性的解決方法是指為克服既有諧波問題所採用的技術，包括使用LC無源濾波器、使用有源濾波器、電路解諧，詳見下面的治理方法。

治理方法

綜述

對於公用電網中的諧波電壓和諧波電流，在世界上和我國均有相關的標準規範，例如國際上IEEEstd519要求商業和工業用戶向公共電源系統反饋的最大THD應小於5%。我國國家技術監督局於1993年又發布了中華人民共和國國家標準GB/T14549—93《電能質量公用電網諧波》，根據不同電壓等級的公用電網，明確規定出了各次諧波電流的最大允許值見表1。

表1 注入公共連線點的諧波電流允許值

標準電壓kV	基準短路容量MVA	諧波次數及諧波電流允許值，A
		2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
0.38	10	78	62	39	62	26	44	19	21	16	28	13	24	11	12	9.7	18	8.6	16	7.8	9	7	14	7	12

近年來，我國的通信電源行業也逐漸對諧波電流有了一定的認識，在通信行業的最新標準中，也已增加了對UPS設備輸入電流諧波含量的要求，規定根據UPS容量的大小和使用場所的重要性等情況將諧波含量指標分為3個等級，即5%、15%和25%（通信上由於經常使用容量較大的UPS系統，系統要求的供電可靠性又高，所以應按照5%的指標要求）。

在通訊領域，為了使諧波儘量不對油機等設備的運行產生干擾，為了使整個供電系統更安全可靠，將整個系統中各點的電流諧波含量均控制在5%以內是最佳的選擇。因此，在新建系統時，應對各種設備專門提出諧波指標相關的要求，以保證系統中的諧波在建設時就得到控制。對於現有系統，由於其正在運行，改造的難度和投資都相對大一些，因此，可以考慮在能夠保證整個系統基本安全的前提下，適當降低諧波治理的要求。

無源諧波

無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來，組成LC 串聯迴路，並聯於系統中，LC迴路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統產生諧振。市場上流通較多的採取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由於其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統大多數採用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是採用這種方式對諧波進行治理。由於我國的中小企業大多數是私有的，業主對諧波的危害認識不足，一般不願意拿出大量的經費來治理諧波，而有的企業由於諧波的含量太大，常規的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經濟效益也就可觀了。

國內低壓側高水平的諧波濾除裝置是採用光纖觸發系統，大幅度降低因諧波干擾致使電纜觸發所產生的誤動。

有源諧波

有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率範圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由於受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，成本極高，其製作也較之無源濾波裝置複雜得多，成本也就高得多了。其主要的套用範圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。對單台的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不願意用有源濾波，對於諧波的含量，不必濾得太乾淨，只要不危害其他用電器也就可以了。

避免諧振

普通電容器對諧波有放大作用，串聯一定的電抗器既可以保護電容器，又可以有效地防止系統諧波被放大。根據GB50053－94《10kV及以下變電所設計規範》規定，“當電容器裝置附近有高次諧波含量超過規定允許值時，應在迴路中設定抑制諧波的串聯電抗器。”GB50227－95《並聯電容器裝置設計規範》規定，“用於抑制諧波，當並聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為5次及以上時，宜取6%；當並聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為3次及以上時，宜取12%”。

綜上所述，在建設通信用供電系統時，應在電路解諧的基礎上，首先考慮使用有源濾波器進行治理。最好在建設初期就考慮解決。如在建設UPS系統時，直接配置有源濾波器等，這樣不但可以保證建設的系統更加安全可靠，同時由於可以很方便的實現末端治理，使供電可靠性及節能效率都有所增加。

對比

趨勢

電力網中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅動或晶閘管整流直流驅動設備、計算機、諧波治理重要負載所用的不間斷電源(UPS)、節能螢光燈系統等，這些非線性負載將導致電網污染，電力品質下降，引起供用電設備故障,甚至引發嚴重火災事故等。世界上包括我國的一些建築物突發火災被證明與電力污染有關。

危害

電力設備運行中的問題和故障，諧波治理通常都是由於電網電氣參數波動或瞬間干擾所引起，如：電壓波動、浪涌衝擊、諧波、三相不平衡、功率因數過低、缺相運行等。

長期以來，這些導致設備運行故障、維修工作量增加及增耗電費的情況受到用戶和供電部門的廣泛關注。

電力污染及電力品質惡化主要表現在以下方面：電壓波動、浪涌衝擊、諧波、三相不平衡等。

電源污染的危害

電源污染會對用電設備造成嚴重危害，主要有：

*干擾通訊設備、計算機系統等電子設備的正常工作，造成數據丟失或當機。

*影響無線電發射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能,造成噪聲干擾和圖像紊亂。

*引起電氣自動裝置誤動作，甚至發生嚴重事故。

*使電氣設備過熱，振動和噪聲加大，加速絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。

*造成燈光亮度的波動(閃變)，影響工作效益。

*導致供電系統功率損耗增加。

工程案例

溫州某10KV電解鋅工廠在未濾波之前，其功率因數為0.8，而採取普通的無功補償，又無法投入，1030KVA（630KVA+400KVA）的變壓器，直接由10KV變到126V，低壓側的電流達到14000A，5次諧波電流含量在高壓側達到21%。在濾除5次諧波後，5次諧波僅剩5%時，功率因數可以達到0.98。用戶由濾波前的每月罰款8000~10000元，到每月獎勵1000元左右。這樣算下來，半年左右就可以收回成本，不僅為企業實現了節能降耗，也為國家創建綠色電網出了一份力！

礦用提升機：

提升機作為大功率、頻繁啟動、周期性衝擊負荷以及採用矽整流裝置對電網造成的無功衝擊和高次諧波污染等危害不僅危及電網安全，同時也造成提升機過電流、欠電壓等緊停故障的發生，影響了礦井生產。因此對提升機供電系統進行無功動態補償和高次諧波治理，對於提高礦井提升機和電網的安全運行可靠性、提高企業的經濟效益意義巨大

提升機單機裝機功率大，在礦井總供電負荷中占的比重較大。伴隨煤礦生產規模的擴大、井筒的加深，要求配套的提升機裝置容量也越來越大，單機容量已達到2000～3000kW，有的甚至達到5400kW，單斗提升裝載量達34t。這么大的負載啟動將對電網造成很大的衝擊電流，無功電流成分較大，功率因數較低。所以大功率提升機對供電電網的容量和穩定性要求更高。

其中大功率提升機主要的問題是：

引起電網電壓降低及電壓波動；

高次諧波含量豐富，其中普遍存在如2、4次偶次諧波與3、5、7、11等奇次諧波共存的狀況，使電壓畸變更趨複雜化；

功率因數低

徹底解決上述問題的方法是用戶必須安裝具有快速回響速度的BF-2B動態濾波及無功補償裝置，該裝置使用大功率可控矽開關模組。系統回響時間小於2Oms，完全可以滿足嚴格的技術要求。保定巴方具有豐富的煤礦現場成功運行經驗，如山西玉華煤礦等項目，濾波及無功補償裝置投運至今運行效果良好，單月節省電費在10萬元以上。

危害簡介

產生

諧波主要是由於大容量整流或換流設備以及其它非線性負荷，導致電流波形畸變造成的。我們對這些畸的變交流量進行傅立葉級數分解，即可得到50Hz的基波分量和頻率為基波分量整數倍的諧波分量。

危害

1．諧波對系統的普遍影響

首先，諧波會增加設備的銅耗、鐵耗和介質損耗進而加劇熱應力，從而運行中需要降低設備的額定出力。其次，諧波還可以使電壓峰值增大，若忽略相位差，則峰值電壓上升的標麼值就等於電壓峰值係數，這種電壓升高會導致絕緣應力升高，最終有可能使電纜絕緣擊穿。最後，諧波還會引起負載設備損壞（這裡負載設備損壞廣義的定義為由電壓畸變引起的任何設備故障或工作不正常），並縮短設備壽命。

另外，3倍數次諧波即使在負載平衡的情況下也會使中性線帶電流，並且此電流有可能等於甚至大於相電流。這種情況會導致零地電位差的升高，而且中性線上的開關和電纜等的選取都需要做出適當調整。此外，如果諧波引起了諧振，則極大的諧振電流會在電源系統中引起更大的破壞。

2．諧波影響柴油發電機組的正常供電

柴油發電機組的內阻相對市電要大得多，諧波所造成的電壓波形失真也大很多。因此，在市電供電時，諧波的影響不易發現；但當油機供電時，諧波對供電系統的影響就會明顯得多，比如使油機輸出的電壓波形出現嚴重失真。這時，如果油機的控制部分對嚴重失真的輸出波形進行判斷，就可能會認為是過壓、超頻等原因，從而造成油機停機；或者使UPS等通信重要負荷不能使用油機電源，而是依靠蓄電池放電供電，如市電停電時間過長，就會造成UPS停機。所以，針對輸入電流諧波含量較大的設備，都要求必須增大油機與設備的配比倍數（即將油機降容使用），即將油機容量加大到設備容量的2～5倍，以減小諧波失真和繞組的發熱等情況。但這種方法的成本是非常昂貴的，而且也不能保證UPS和柴油發電機組的完全兼容，由於柴油發電機組的欠載，還會引出油發電機組運行維護方面的問題。

另外，諧波使發電機的銅損和鐵損增加。當發電機的自然振盪頻率在脈動磁場頻率附近時，發電機會發生超同步諧振。

3．諧波對電容器組的影響

諧波對電容器組的影響也比較嚴重，主要有以下幾種情況。

●電容器由於諧波電流而過載，因為電容器的電抗隨著頻率的升高而減小，這使得電容器稱為諧波的吸收點。同時，諧波電壓產生大電流會引起電容器熔絲熔斷。

●諧波往往會使介質損耗增加，其直接後果是額外的發熱和設備的壽命縮短。

●電容器和電源電感結合構成並聯諧振電路，其諧振頻率可以計算得出。在諧振情況下諧波被放大，最終的電壓會大大高於電壓額定值並導致電容器損壞或熔絲熔斷。

4．諧波對變壓器的影響

諧波環境下的變壓器會受到如下損害。

●負載損耗增加。負載損耗包括銅耗和雜散損耗（線圈渦流損耗）。雜散損耗是決定由非線性負載引起的變壓器鐵心額外發熱損耗的最重要因素。

●磁滯和渦流損耗增加。這些損耗會隨著頻率的升高而大大增加，而且由諧波引起的渦流損耗比由諧波引起的磁滯損耗大。

●變壓器電感與功率因數校正電容器之間可能產生諧振。

●由於峰值電壓增加而導致絕緣應力增加。

上述損耗會導致變壓器發熱及相應的壽命損失。

5．諧波對保護裝置、通信電路和電子設備等的影響

諧波還會干擾保護繼電器、測量設備、控制電路和通信電路以及用戶電子設備等，還會使靈敏設備發生誤動作或元件故障。諧波在以下幾個方面影響保護和控制裝置、測量設備、通信電路和電子負載。

●諧波影響斷路器的開斷能力。

●受電壓和電流峰值或零值控制的繼電器會受到諧波的影響。在有諧波存在時，機電型繼電器的延時特性會改變。零序電流繼電器不能區分零序電流和3次諧波電流，從而導致誤跳閘。

●測量儀表對非正弦信號呈現出不同的回響特性，從而導致計量不準確。

●諧波通過感性耦合干擾電話線路。

●由於過零點的移動，諧波影響電子裝置和控制電路的正常工作。

●諧波干擾用戶負載，這對計算機系統特別值得關注。

●諧波縮短白熾燈的壽命和引起螢光燈的故障。